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JPS6196138A - 過給機付内燃機関 - Google Patents

過給機付内燃機関

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Publication number
JPS6196138A
JPS6196138A JP59217079A JP21707984A JPS6196138A JP S6196138 A JPS6196138 A JP S6196138A JP 59217079 A JP59217079 A JP 59217079A JP 21707984 A JP21707984 A JP 21707984A JP S6196138 A JPS6196138 A JP S6196138A
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JP
Japan
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secondary air
air
exhaust
supercharger
combustion engine
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Application number
JP59217079A
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JPH0250298B2 (ja
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Noboru Ishida
昇 石田
Mitsuyoshi Kawamura
川村　光義
Toshiyuki Ishihara
石原　敏幸
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Priority to US06/788,046 priority patent/US4674283A/en
Publication of JPS6196138A publication Critical patent/JPS6196138A/ja
Publication of JPH0250298B2 publication Critical patent/JPH0250298B2/ja
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/20—Control of the pumps by increasing exhaust energy, e.g. using combustion chamber by after-burning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、低速高負荷時における性能の向上された過給
機を組込んだ内燃機関に関する。
［従来の技術］ 内燃機関、殊に自動車エンジンの燃費効率向上のための
有力な手段としての過給機は、エンジンの排気エネルギ
ーを利用して排気タービンを回し、この動力によってコ
ンプレッサを駆動することによって混合気または吸入空
気を予圧してシリンダ内での燃料爆発エネルギーを増大
させる役割を果たしている。従って車両の走行状態の如
何によって過給機による車両の走行性能の向上効果にも
変動を来たすのが一般であった。
［発明が解決しようとする問題点］ 上述の如く過給機付内燃機関の過給効果は車両の走行状
態によって左右され、一般に中高速高負荷時には排ガス
量も増え、またタービンの回転数を高めるための一要件
としての排気温も十分に上昇するので、満足すべき過給
効果が期待できるのに対して、低速高負荷走行時には排
ガス発生量も少なく、排気温も低いので、タービン回転
数も上昇せず、機関の出力向上にさして寄与し得なかっ
た。また、一般に排ガス温度が高い程、タービン効率は
良くなる。
排気温を高めさせる方法としては、点火時期を遅らせる
方法、あるいは吸気温度を上昇させることが考えられる
が、前者の方法は燃料の燃焼効率および燃焼安定性の面
で不利を招き、また後者の方法に関しては吸入酸素量に
係る効率の点で、あるいはシリンダ内の温度と圧力の高
まりによるエンジンの耐久性の低下を来たす難点があっ
た。
本発明は低速運転時においても、満足すべき過給機能を
果たし、且つ燃料の燃焼効率や機関の耐〜 久性の低下を招くことのない改良された過給機付内燃機
関を提供することを目的とする。
し問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために本発明の過給機付内燃機関
は、過給機と、該過給機のタービンへの二次空気供給手
段と、排気系内に設けられた空燃比センサと、前記二次
空気のエンジンへの導入口の近傍に設けられた排気温セ
ンサと、前記両センサからの信号に基づいて前記二次空
気の導入量を制御する制ｔＩＩｌ装置とを備えており、
前記空燃比センサが混合気のリッチ混合状態を検知する
と共に、前記排気温センサが設定値以上の温度を検知し
た時、前記制御装置が前記二次空気供給手段を作動させ
る構成を採用した。
［発明の作用、効果］ 上記の如き構成からなる過給機付内燃機関は、排気温が
ある設定値を越える充分な高い温度に到達すると共に、
混合気の空燃比がリッチ状態にあることを排気温センサ
および空燃比センサが感知した時に限って、あらかじめ
設定された量の二次空気が排気系内に導入されるので、
始動時、低速走行時などのように排気温が低いにもかか
わらず、二次空気を導入することによって更に排気温が
低下して過給機の作動効率を低下させる逆効果の発生を
避けられ、−力設定温度以上に排気温が高められており
、且つ混合気の供給がリッチ混合比に保たれているとい
う条件のもとで、所定量の二次空気を導入することによ
って、排気温が更に高められると共に排気圧が過度に亘
らない範囲で上昇することによって、過給機の能力が不
足勝ちとなる低速走行時においても、その存在価値を充
分に発揮させることができる。
［実施例］ 本発明の過給機付内燃機関を、付図に示す実施例に基づ
いて以下に説明する。
第１図は、本発明による自動車用ガソリンエンジンとし
ての過給機付内１！機関の構成説明図であって、１はエ
ンジンブロック、２は排気マニホールド、３は排気マニ
ホールド２の下流に設けられた過給機のタービン、４は
過給機のコンプレッサ、５は排気系の内部に取付けられ
た排気温センサ、６はタービン３の排気口に設けられた
空燃比センサ、７は吸気用エアクリーナ、８はエアコン
トロールバルブ、９は吸気管、１０は二次空気供給管、
１１はエアポンプ、１２は二次空気の調圧用レギュレー
タ、１３は二次空気の供給制御用電磁弁、１４は二次空
気予熱器、１５はエンジンシリンダヘッド部分に設けた
二次空気導入口、１６は二次空気供給制御装置、１７は
吸気マニホールド、１８は排気管、１９は排気への通気
管である。
第２図は、本発明の第１実施例を示した上記第１図の内
燃機関構成に部分的な変更を加えた第２実施例図であっ
て、２０は排気系の内部に設けた二次空気の導入口であ
り、図中の他の符号は第１図のそれと共通している。
第３図は、第１図に示された内燃機関についての二次空
気の導入の前後におけるそれぞれの空燃比の推移１．お
よび二次空気導入時の二次空気供給制御用電磁弁１３の
作動状態を説明したタイムチャートである。
次に第１図に示された自動車エンジンの作動を説明する
。
エンジン始動直後は排気温は設定温度、例えば６００℃
には及ばないので過給機のタービン３は排気マニホール
ド２から排出される燃焼排ガスのみによって駆動される
。エンジンが暖機されるのに伴って排気温も次第に高ま
り、タービン３の上流側に設けられた排気温センサ５が
６００℃を越える温度を検知すると、タービン３の下流
側に設置された空燃比センサ６が、混合気の空燃比が理
論空電 燃比よりも低いリッチ混合状態にあることを検知するこ
とによって、この両センサ５．６の検出信号の送入を受
けた二次空気供給制御装置１６が二次空気の供給制御用
電磁弁１３を開弁させる。二次空気はエンジン吸気管９
の外気吸入部に設けられたエアクリーナ７を経て吸入さ
れエアポンプ１１によって圧縮され、二次空気力調圧用
レギュレータ１２を通過する間に、このレギュレータ１
２に排気への通気管１９を通して伝えられて来る排気マ
ニホールド２の内圧との圧力差が常に＋３ｋｇ／ｃｎ＋
２　に保持されるように調整されたうえ電磁弁１３に送
り込まれる。電磁弁１３を通過した二次空気は排気管１
８を包囲するように設けられた予熱器１４に通人された
後、シリンダの排気バルブ下流に設けられた二次空気導
入口１５からピストンの排気工程に同期させて燃焼排気
中に混入される。従って電磁弁１３もこの同期的開閉作
動が行われるように供給制御装置１６によってコントロ
ールされる。
リッチ混合比のもとにエンジンに供給された混合気の燃
焼排気中には当然未燃燃料が残存するので、この排気中
に二次空気を導入することによって残存燃料の燃焼熱に
より排気温が高められると共に、二次空気の補給と燃焼
ガスの生成の両面から排気量と排気圧が増大せしめられ
、低速高負荷運転下であっても過給機のタービン３を充
分に高速回転させるに足る排気エネルギーを生み出すこ
とかできる。
二次空気を排気系中に導入させるための必要条件として
、排気温が例えば６００℃という設定温度以上にあるこ
とを求めた理由は、この温度より低ければ二次空気によ
って排気温が低下し、未燃燃料の燃焼が急速に進行しな
いし、温度低下分だけタービン３の作動効率が悪化する
からである。上気の設定温度値は、もちろんエンジンの
構造如何によって左右されるが、二次空気の予熱を行わ
ない場合には７００℃以上であることが望ましい。そし
て二次空気を導入する個所として最も好ましい、排気系
の内でも最高温の場所として、この実施例ではシリンダ
ヘッド部分を選定したのである。過給機タービン３から
の距離が遠いことも燃焼時間の延長の点で有利となる。
また二次空気を排気系内に圧入させるために必要な二次
空気圧としては、一般に自動車エンジンの排気マニホー
ルド内圧力はケージ圧で最高１．４ｋＱ／Ｃｍ２を越え
ることはないので、１．５ｋＭＣＩ２以上であれば足り
る。しかしこの実施例では圧入の確実を期してより高い
値を設定した。尚、気体軸受を使用する過給機であれば
、エアの圧縮用コンプレッサにエアポンプ機能を兼ねさ
せることができる。また過給機のタービン３の材料とし
て、Ｓ！３ＮａやＳｉＣなどのセラミックを使用するこ
とによって、排気温の上昇に伴う、タービン寿命の低下
問題を避けることができる。
二次空気の導入開始以降における、混合気の空燃比の計
測は、空燃比センサ６によってはなくて、混合気供給系
のエアフローメータ及び燃料のインジェクタからの情報
に基づいて、燃焼制御装置が行う。
一方、二次空気の導入口は、空燃比センサ６からの信号
に基づいて空燃比が一定に、例えば１３．８の値に保た
れるようにフィードバック制御される。
表１に上記構成の１８００ＣＣ，４シリンダーエンジン
に二次空気を供給しない時と供給した時のそれぞれにつ
いての運転データを比較して示した。
表に二次空気の導入効果（その１） エンジンにリッチ混合比の混合気を供給することによっ
て排気中に排出された未燃燃料は二次空気の導入によっ
て排気系内で燃焼し、過給機のタービン３に供給すべき
過給圧ｔま二次空気を供給しない場合に比べて２０％高
められ、過給機コンプレッサ４の回転数も２０％強高め
られることがわかる。
これに対して排気マニホールド２内の圧力上昇は１０％
弱にとどまっているので、このマイナス効果はコンプレ
ッサ４の回転数の上昇によって充分につぐなわれる。ま
た第３図の空燃比に関するタイムチャートにもみられる
ように、この運転テストはエンジン出力、排気浄化度、
および燃料経済性を総合的に考慮して空燃比の値が１３
．８となるような設定条件のもとに行った。
次に第２図に示された第２実施例においては、二次空気
導入口２０がシリンダヘッド部分にではなくて、過給機
タービン３の噴気ノズル部から約１００ｍｍ隔たった上
流部に設けられている点を除いて機関の構成は第１実施
例と共通している。
排気中に残存する燃料が排気系内に導入された二次空気
によって燃焼し、タービン３への過給圧が充分に高めら
れるためには、二次空気導入口２０からタービン３の入
口部に至るまでに燃焼を完了させるための相応の距離が
保たれる必要がある。
この必要距離は最小限５０ｍｍであることが実験的に確
められたので、この実施例では約１　ｏｏ＋ｎｍの値を
とった。
表２に上記第２実施例について第１実施例と同様な二次
空気の導入効果に関する比較データを示した。二次空気
はエアポンプ１１によってケージ圧３ｋａ／ｃｍ２に加
圧した。二次空気供給能力は最大２ｍ３７１ｍである。
二次空気導入条件は排気温が６５０℃、空燃比か１２以
下では燃料の２倍量（重量）の、また１４以下では同量
の二次空気を導入することとした。ただし二次空気のフ
ィードバックは行わなかった。
表り＝二次空気の導入効果（その２） 上記の表を一見してあきらかに読み取れることは、エン
ジン回転数が２．　ｏｏｏｒｐｍといった低速走行時に
は、二次空気の導入効果が４．　ｏｏｏｒｐｍ回転時に
較べて飛躍的に向上されるという事実である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による過給機付内燃様間の構成説明図、
第２図は第１図の機関の二次空気導入口位置を変更した
第２実施例の構成説明図、第３図は第１図に示された内
燃４！１関についての空燃比に関するタイムチャートで
ある。 図中　１・・・エンジンブロック　２・・・排気マニホ
ールド　３．４・・・過給機のタービンとコンプレッサ
　５・・・排気温センサ　６・・・空燃比センサ　−ト
・・エアポンプ　１３・・・二次空気の供給制御用電磁
弁１５．２０・・・二次空気導入口　１６・・・二次空
気供給制御装置

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）過給機と、該過給機のタービンへの二次空気供給手
    段と、排気系内に設けられた空燃比センサと、前記二次
    空気のエンジンへの導入口の近傍に設けられた排気温セ
    ンサと、前記両センサからの信号に基づいて前記二次空
    気の導入量を制御する制御装置とを備えており、 前記空燃比センサが混合気のリッチ混合状態を検知する
    と共に、前記排気温センサが設定値以上の温度を検知し
    た時、前記制御装置が前記二次空気供給手段を作動させ
    るように構成されていることを特徴とする過給機付内燃
    機関。 ２）前記設定温度が６００℃であることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の過給機付内燃機関。 ３）前記二次空気の導入量が前記空燃比センサ信号に基
    づいてフィードバック制御されることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項または第２項記載の過給機付内燃機関
    。 ４）前記二次空気導入口が、エンジンシリンダヘッド部
    に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載の過給機付内燃機関。 ５）前記二次空気導入口から前記過給機のタービンまで
    の距離が５０ｍｍ以上に保たれていることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
    過給機付内燃機関。 ６）前記二次空気圧が１．５ｋｇ／ｃｍ＾２以上である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項の
    いずれかに記載の過給機付内燃機関。 ７）前記二次空気を、エンジン排気熱によって予熱する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項の
    いずれかに記載の過給機付内燃機関。 ８）前記過給機付内燃機関のタービンがセラミック製で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７
    項のいずれかに記載の過給機付内燃機関。 ９）前記過給機のタービン軸受が気体軸受であることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれ
    かに記載の過給機付内燃機関。
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